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Reações de Adição Polar e RadicalarReações de Adição Polar e Radicalar

Adição Eletrofílica e Nucleofílica a Duplas e Triplas LigaçõesAdição Eletrofílica e Nucleofílica a Duplas e Triplas Ligações

1. Adição de Halogênios1. Adição de Halogênios

As questões mecanísticas importantes são: (i) a natureza do intermediário

formado, (ii) a estereoquímica de adição, sin ou anti; (iii) a regioseletividade.

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Detalhes Mecanísticos:

A formação de íon bromônio cíclico foi sugerido para explicar a estereoquímica anti da maioria das reações:

Evidências para este mecanismo:

(i) Adição de Br2 à cis- e trans-2-buteno produz 2,3-dibromobutano racemico e meso.

+

-

3

(ii) A reação de eritro- e de treo-3-bromo-2-butanol com HBr produz 2,3-dibromobutano, meso e racemico, respectivamente.

A estereoquímica está de acordo com um deslocamento da água pelo Br- por SN2?

Participação do bromo como grupo vizinho na saída de água, formando o íon bromônio cíclico, proposto para a reação de adição de bromo.

4

Reação Estéreo-específica:

• reação, na qual reagentes estéreo-quimicamente diferentes levam a produtos

diferentes;

Ou: um reagente com determinada estereoquímica fornece, preferencialmente, ou

exclusivamente, um produto com estereoquímica definida

(chamada de X % estéreo-específica).

Exemplos: adição de bromo a cis-2-buteno e trans-2-buteno; reação SN2;

Reação Estéreo-seletiva:

• reação, na qual, a partir de um reagente não definido estereoquimicamente,

um estéreo-isômero (ou par de enantiômeros) é formado com velocidade

(cinética) maior, ou em maior quantidade, (equilíbrio termodinâmico) que outros

possíveis produtos estéreo-isômeros.

Exemplo: formação preferencial de trans-2-buteno, e não cis-2-buteno, a partir de

(R) ou de (S) 2-bromobutano

Confusão: uso de “estéreo-seletiva” para uma reação “estéreo-específica” com

uma especificidade menor que 100%, embora a IUPAC permita esta

terminologia, ela não recomenda; (nem eu!!!)

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(iii) A reação de alcinos ocorre com estereoquímica similar

(iv) O intermediário pode ser desviado para vários produtos. Nesta técnica, analise dos produtos indicam a participação do suposto intermediário na reação.

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(v) Detecção de íons bromônio

(CH3)2C C(CH3)2

Br Br SbF5

SO2(liq.)

-600C

(CH3)2C C

CH3

CH3

Br

SbF5Br

Br

SbF5Br

(vi) Isolamento de um íon bromônio cristalino:

2Br2

Br

149,7ppm

211,6ppm

219,4ppm

Wynberg, 1969: duas ligações C-Br diferentes; cerca de 10% mais compridas do que as ligações C-Br normais, Br3

- como contra-íon. Brown 1991-1994: Confirmaram a geometria simétrica do anel de 3

membros contendo o bromo, a partir do raio X do sal com CF3CO2- como

contra-íon.

•detectado por RMN de 13C e 1H;

Br3-

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(vii) Teste para o envolvimento de carbocátion: rearranjo

H3C CH3

H3C

CH3CH3

CH3

Br

Br

CH3

CH3

Br

H3C

Br+

100 % 0 %

Br2

CCl4

Nesta reação não há um carbocátion intermediário, porque não se observa o produto de rearranjo.

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(viii) Envolvimento de um complexo de transferência de carga (CTC)

O espectro de UV de alcenos e Br2 mostra uma banda nova, devido ao entre a ligação C=C (doador) e o Br2 (receptor).

A participação deste CTC no caminha reacional, antes da formação de íon bromônio, foi comprovada pelo seguinte:

a) há relação entre as velocidades de desaparecimento do CTC (detectado por UV) e a de formação do produto;

b) algumas reações de bromação mostram energia de ativação negativa (como explicar isso?).

Exemplos da transformação do CTC em íon cíclico:

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Estes mecanismos explicam os seguintes resultados?

a) As equações cinéticas de bromação são complexas, ex:

= [alceno] (k2[Br2] + k3 [Br2]2 + kBr3

- [Br3

-]);

b) A reação é muito sensível a propriedade do solvente.

(ix) Participação Eletrofílica do Solvente:

(x) Participação Nucleofílica do Solvente:

Br BrS-OH

Br Br H

O

S(S-OH)n

Br

d+

d-

d+ d-

+ Br- n HO-SEfeito Isotópico do Solvente: kH/kD ~ 1,2

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(xi) Formação reversível do íon bromônio:

A formação do trans-estilbeno na reação da bromo-hidrina eritro indica que a fromação do íon bromônio deve ser reversível.

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Representação do Representação do Íon BromônioÍon Bromônio O íon bromônio é geralmente representado com a carga positiva no Br

(fórmula de Lewis), porém, pode haver deslocalização da carga entre o Br e o C1/C2:

C C

Br

C C

Br

C C

Br

C C

Br

Bromônio versus carbocátion:

ou

R4R3R2

R1 Br

dipoloponte parcial(rotação restrita)

aumento do caráter de carbocátion

C CR3

R4

R1

R2

Br

íon bromônio(não há rotação)

C CR3

R4

R1

R2

Br

BrR1

R2R3

R3

carbocátion

(rotação livre)

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Formação de carbocátions na adição de bromoFormação de carbocátions na adição de bromo alcanos com substituintes arila: estabilização do carbocátion

Ar

H

H

CH3

Br

Br

HCH3Ph

H

Br

Br

HCH3H

Ph

eritro( ) treo( )

Br2

CCl4

Ar = C6H5 eritro treo

trans 88% 12%

cis 17% 83%

Ar = 4-OCH3-C6H4

trans 63% 37%

•com carbocátion mais estável, reação menos estéreo específica!!!

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alceno R1 R2

Rendi- mento

etileno H H 38% / /

propeno Me H 61% 50% 11%

2-metilpropeno Me Me 85% 85% 0

Orientação Orientação na na Adição Adição Eletrofílica: Eletrofílica: Adição de Bromo a Adição de Bromo a Alcenos (em MeOH): Verificação da regra de MarkovnikovAlcenos (em MeOH): Verificação da regra de Markovnikov

C CH2

OCH3

Br

R1

R2

C CH2

Br

H3CO

R1

R2

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ReatividadeReatividade nana BromaçãoBromação

composto reatividade

relativa

CH2=CH2 1

CH2=CH-CH2Br 0,3

CH2=CHBr 0,0003

cis-CHCl=CHCl 1,0 10-7

CHCl=CCl2 1,0 10-10

CCl2=CCl2 muito lento

Doadores de elétron aumentam a velocidade, independentemente da posição.

Aceptores de elétron diminuem a velocidade, efeito aditivo e depende da proximidade.

Estes resultados favorecem um íon bromônio ou um carbocátion aberto?

em HOAc, a 25 C

eteno < propeno < 2-buteno ~ isobuteno < 2-metil-2-buteno Correlação de Taft linear com: log k2 = -3,1 * + 7,0 Correlação com soma dos valores de *: * = -3,1

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trans- -metilestireno ( ) eritero: 88% ( ) treo: 12%

Reação de transtrans--33--((44--metóxifenil)propenometóxifenil)propeno é menos estereoespecífico ainda,

63% eritero e 37% treo. Explicar.

Para a bromação de estirenos substituídos, log k correlaciona com +: + = - 4.8.

{Solvólise de PhC(Me)2Cl em 90% acetona aquosa: = - 4.54.}

Esta reação ocorre pelo mecanismo de SN1, via carbocátion.

Portanto, a bromação de estirenos envolve um carbocátion aberto como

intermediário.

Esteroquímica da adição de BrEsteroquímica da adição de Br22 a estirenos a estirenos

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Velocidade global da reação kobs = kBr + k + k .

X forte doador: kobs controlado pelo caminho k , kobs correlaciona com +;

X forte aceptor: o caminho importante é k , kobs correlaciona com ;

X intermediário: o caminho via íon bromônio (kBr), kobs correlaciona com .

Reação de Estilbenos com BromoReação de Estilbenos com Bromo Diferentes Reações Paralelas

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Gráfico de Hammett para a bromação de Gráfico de Hammett para a bromação de

estilbenos mono substituídosestilbenos mono substituídos

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Adição de CloroAdição de Cloro

•reação de alcenos com Cl2 é semelhante a de Br2 em termos de

estereoquímica (97% anti com isômeros de 2-buteno);

•Adição de cloro a eteno é mais exotérmica ( H0 = - 44 kcal/mol) que

a adição de bromo ( H0 = 29 kcal/mol);

•formação intermediária de íon clorônio, e valores de * de Taft

similares: * = -2,9 (adição de Cl2) e –3,1 (adição de Br2);

•diferença essencial é que na reação de Cl2 com alcenos puros, ou em

solventes não polares ocorre tambem substituição como reação

competitiva;

Adição de cloro a trans-2-penteno em HOAc: estereospecífica ANTI

H C2H5

CH3 HCl2

HOAc

ClCl

HC2H5

Cl

H3CH

Cl

HC2H5

OAc

H3CH

OAc

HC2H5

Cl

H3CH

+ + +

1: 1 % 2: 75% 3: 10 % 4: 13 %

relação 3 / 4: adição preferencial de HOAc no carbono menos impedido;

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AdiçãoAdição de cloro em águade cloro em água

H CH3

H3C H Cl2

H2O

OH

Cl

HH3C

HCH3

Cl

H CH3

OH

H CH3

+

H3C H

H3C H

H2O

Cl2

OH

CH2ClH3C

H3C

ANTI

MARKOVNIKOV

adição de cloro ocorre via um íon clorônio assimétrico;

H3C

H3C

CH3

CH3

Cl2

O2

H3C

H3C

CH3

H2C

Cl

H

Cl-Cl

H3C

CH3

CH3

H

H

Formação do produto de substituiçãoFormação do produto de substituição

Neste caso, o clorero age como base;

Esta reação não ocorre com bromo! Porque?

20

Formação de 3 produtos: (i) sob N2, formação de 1, 2 e 3 (2 : 1 : 0.6); (ii) na presença de O2, somente formação de 1 e 2 (3,5:1).

Mecanismo para a formação de produto de substituição via íon clorônio.

Reação de Reação de ciclociclo--hexeno com cloro hexeno com cloro

Mecanismo de formação de 2 e 3? Papel de O2 na inibição de formação de 3?

21

Adição de cloro via íon clorônio implica em estereoquímica anti.

Presença de grupo fenila deve ter o mesmo efeito sobre a estereo-especificidade da adição de cloro que na adição de bromo.

Estereoespecífica da adição de Cl2 a cis- e trans-estilbeno:

Resultados Experimentais:

cis-estilbeno: mistura 9:1 de meso : racêmico (sin : anti = 9:1);

trans-estilbeno: mistura 1:2 de meso : racêmico (sin : anti = 2:1).

A adição deve ocorrer com envolvimento de carbocátion aberto e a

adição sin é a preferencial. Explicação??

Adição de cloro a acenaftaleno: 100% de adição sin

Estereoquímica da Adição de CloroEstereoquímica da Adição de Cloro

kinv

k-inv

knuc k’nuc

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Mecanismo da adição de cloro a Mecanismo da adição de cloro a ciscis--estilbenoestilbeno

Para a adição anti, o cloreto tem que passar para o outro lado da ligação C-C (kinv),

ou deve ocorrer rotação da ligação C-C (não mostrado);

Relação dos produtos depende da relação entre kinv, k-inv; knuc; k’nuc

E o caso do acenaftaleno? Como ele se encaixa? Ele pode indicar o mecaniosmo?

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Adição de Adição de FlúorFlúor

A adição de F2 a ligação C=C não tem utilidade sintética.

A adição de flúor e dificultada porque a reação é bastante exotérmica

(difícil controle),

A adição de flúor a alcenos é extremamente exotérmica e acompanhada

por reações laterais;

Estereoquímica: adição SIN;

C

H

H

F

F

H

H

C OU C C

H H

H HF

F

muito curto

-+

+

-

XeX2 / HF usado como reagente de fluoração;

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Alceno + I2 :

•reação muito pouco exotérmica e com entropia muito negativa

( H = -11 kcal/mol; S = -32 e.u.; na fase gasosa)

•aumento da temperatura desloca equilíbrio para esquerda;

Estireno + I2 :

•produz di-iodo-estireno; filtrado a 0 oC;

•a TA, decomposição em iodo e estireno.

Adição radicalar:

2-buteno + I2 : com luz adição ANTI; em propano sob refluxo (- 42 oC);

•proposto um radical cíclico com ponte de iodo como intermediário.

Adição de Adição de IodoIodo

A adição de I2 a ligação C=C não tem utilidade sintética.

O produto de adição de iodo, o di-iodoalcano, é instável, sofrendo fácil

eliminação de I2 para o alceno.

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Adição de Adição de Compostos InterCompostos Inter--halogêneoshalogêneos

Compostos inter-halogêneo adicionam à alcenos.

Ordem de reatividade: BrCl > Br2> ICl > IBr > I2.

A adição ocorre pelo polo positivo do dipolo, via íon cíclico, com

estereoquímica anti, via a regra de Markovnikov.

Br Cl

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2. Adição de Ácidos 2. Adição de Ácidos HidroHidro--halogênioshalogênios: HX: HX

Normalmente, a adição de HX à alcenos segue a regra de Markovnikov, via

a formação do carbocátion mais estável.

A estereoquímica é predominantemente anti e, para o mesmo alceno, a

ordem de reatividade é HBr > HCl.

Evidências para a formação intermediária carbocátion:

•a reação é mais rápida em solventes polares;

•ocorrência de rearranjos moleculares;

•dependendo da estabilidade do carbocátion, a adição pode ocorrer

também no sentido anti-Markovnikov;

27

Equação cinética: = k [alceno] [HX]n , onde n > 1, o que mostra que a adição é

mais complexa que apresentada.

A regioseletividade de adição de HBr depende da pureza dos reagentes. Na

presença de peróxidos, a adição é radicalar, anti-Markovnikov. Este efeito (de

peróxidos) é observado somente com HBr, pois tem as duas etapas exotérmicas de

propagação.

Ocorrência de rearranjo na adição de HClOcorrência de rearranjo na adição de HCl

Adição de HBr a 3,3,3,trifluoropropeno: Adição de HBr a 3,3,3,trifluoropropeno: Adição antiAdição anti--Markovnikov?? Markovnikov??

Reação ocorre somente em tubo selado a 100 oC na presença do AlCl3

28

H (kcal/mol), das etapas de propagação 1 e 2 para adição radicalar de HX:

HX Propagação 1 Propagação 2

HF - 46 + 36

HCl -17 + 4

HBr -3 -11

HI + 12 -27

Adição Adição Radicalar Radicalar de HBr a de HBr a AlcenosAlcenos

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A base da adição anti-Markovnikov é a mesma para a adição iônica: a formação

do intermediário mais estável, no caso o radical.

•ordem de adição é inversa, ou seja, Br e depois H.

A adição radicalar de HBr à 1-bromociclo-hexeno produz cis-1,2-dibromociclo-

hexano; a adição radicalar de HBr à 1-metilciclo-hexeno produz cis-1-bromo-2-

metilciclo-hexano. Tal estereoquímica indica que o radical intermediário é cíclico,

semelhante ao íon bromônio.

Mecanismo da adição radicalar de HBr Mecanismo da adição radicalar de HBr para derivados de ciclopara derivados de ciclo--hexeno hexeno

30

3. Hidratação3. Hidratação

A hidratação de alcenos, catalisada por ácidos, é a reação inversa de

eliminação de água de álcoois.

A reação é de 1a ordem em [H+], tem efeito isotópico cinético (kH3O+ /

kD3O+ = 2 - 4), as constantes de velocidade correlacionam com +, e

tem valores de + altos e negativos.

Oximercuração/DesmercuraçãoOximercuração/Desmercuração

A seqüência de reações produz ROH, sob condições brandas, sem

participação de um carbocátion livre (vantagem sintética?),

A regioquímica da adição é no sentido Markovnikov.

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Oximercuração/Desmercuração: Evitar rearranjoOximercuração/Desmercuração: Evitar rearranjo

Intermediário da Reação: Carbocátion ou Íon ‘Mercurínio’

carbocátion aberto Íon assimétrico com

carga deslocalizada

Íon ‘mercurínio’

assimétrico

Íon ‘mercurínio’

simétrico

HgXR

HR

H

R

HR

H

HgX

R

HR

H

HgXHgXR

HR

H+

32

A reação ocorre em duas etapas, formação rápida de intermediário

(provavelmente íon mercurínio), seguida por reação lenta de adição do

solvente prótico, SOH. A equação cinética é ([Int] = constante):

kobs = (k1k2/k-1) [alceno][HgX2]

Cinética da reação de oximercuraçãoCinética da reação de oximercuração

Em comparação com a bromação (etapa lenta formação de intermediário)

a oximercuração é menos sensível ao efeito de substituentes.

33

A reação de oximercuração é estereoespecífica.

Entretanto, a estereoespecificidade da reação de demercuração depende da

estrutura do composto:

(i) Alta estereospecificidade é obtida para compostos cíclicos,

(ii) baixa estereospecificidade é obtida para alcenos lineares.

Assim, a reação de ciclopenteno produz álcool com adição 95% anti (caso i)

Estereoquímica da reação de oximercuraçãoEstereoquímica da reação de oximercuração

34

Enquanto a reação de cis- ou trans-2-buteno produz mistura 50:50

eritero e treo-deutero-2-butanol (caso ii), devido a rotação do radical

produzido pela abstração de .Hg-H.

Estereoquímica da reação de oximercuraçãoEstereoquímica da reação de oximercuração

35

A hidroboração-oxidação é oferece rota estereoseletiva para hidratação

da C=C com orientação anti-Markovnikov.

A reação ocorre em duas etapas: (i) hidroboração (adição de di-borano,

B2H6 em éter ou THF), (ii) oxidação do produto por H2O2/OH-.

Hidroboração / OxidaçãoHidroboração / Oxidação

36

Adição SIN, explicada pelo

estado de transição abaixo

Estados de transição para adição de borano Estados de transição para adição de borano

•ET à esquerda favorecido eletronicamente e estericamente; •Boro age como eletrófilo e hidrogênio como nucleófilo (hidreto); •Adição estereoespecífica SIN.

Estereoquímica da Hidroboração / OxidaçãoEstereoquímica da Hidroboração / Oxidação

37

Mecanismo da Oxidação:

H2O2 + OH- HO2- + H2O

BR3 + HO2- R B

R

R

O OH

R B

R

R

O OH R B

R

OR + OH-

R B

R

OR + OH-R B

OH

R

OR

R B

OH

OR + H2O

R

R B R + ROH + OH-

OH

O passo chave é o rearranjo do borano hidro-peróxido: migração para oxigênio deficiente em elétron; A reação é estereoespecífica com retenção da configuração.

38

Para alcenos aromáticos substituídos há duas possibilidades para o estado de

transição de 4 centros. Para estirenos 4-substituídos log k correlaciona com +,

embora o valor de + ser pequeno (-0,49) o que indica que os efeitos eletrônicos são

menos importantes que os estéricos.

Adição de Borano a Derivados de EstirenoAdição de Borano a Derivados de Estireno

Estado de transição para a adição de Borano a Derivados de Estireno:Estado de transição para a adição de Borano a Derivados de Estireno:

39

C CH2

Ar

H

1. R2BH

2. H2O2C CH2

H

Ar

H OH

Ar C CH3

H

OH

< 3%> 97%

Substituintes doadores e aceptores de elétron no Ar levam a

mesma relação de produtos:

Regioquímica definida principalmente por efeitos estéricos e não

eletrônicos.

Adição de Borano a Derivados de EstirenoAdição de Borano a Derivados de Estireno

40

4. Hidroxilação e Epoxidação4. Hidroxilação e Epoxidação

44..11 HidroxilaçãoHidroxilação SINSIN comcom OsOOsO44 ee KMnOKMnO44::

Vários reagentes, OsO4, KMnO4 e perácidos podem ser usados para preparação de

diois, com diferentes estereoquímica. O primeiro reagente é caro e tóxico,

entretanto pode ser usado em quantidade catalítica + H2O2, que re-oxida o ácido

ósmico para OsO4.

KMnO4 produz diol com a mesma esteroquímica, e partindo do reagente com oxigênio

marcado produz o diol marcado nos dois OH: intermediário semelhante ao com OsO4.

Porém, uso de permanganato leva, em muito os caso à clivagem da ligação C=C.

Adição SIN na Hidroxilação com OsO4: Adição SIN na Hidroxilação com OsO4:

41

44..22 HidroxilaçãoHidroxilação ANTIANTI comcom PerácidosPerácidos viavia EpóxidoEpóxido::

Formação de Epóxidos na Reação de Alcenos com Perácidos

Abertura do Epóxido Catalisada por Ácido ou Base: Hidroxilação ANTI

42

•Catálise heterogênea por metais de transição (Ni, Pt, Pd, Ru, Rh, etc.) •Adsorção do alceno (via ligação p) e do hidrogênio à superfície do metal; •Alongamento das ligações C-C e H-H; Adição é estereospecífica SIN:

CH3

CH3

Ni / H2

H

HCH3

CH3

Hidrogenação parcial de alcinos: Catalisador de Lindlar: Pb sobre CaCO3, envenenado com Pb(OAc)2;

(CH3)3C CC(CH3)3H2

LindlarC C

H H

(CH3)3C C(CH3)3

5. Hidrogenação Catalítica5. Hidrogenação Catalítica

43

Dienos conjugados mais reativos que alcenos, porque????? Estabilização do dieno (conjugação) versus estabilização do intermediário.

Adição 1,2 versus 1,4:

C CCH2

CH2

Br2

CH CCH2

H2C

Br

1a

CH C

H2C

Br

CH2

1b

CH CH

H2C

Br

CH2

Br

CH

H2C

Br

CH

CH2Br

2

3

1,4

1,2

2 produto termodinâmico (dupla mais estável); 3 produto cinético; maior contribuição da estrutura 1a para o híbrido (carbocátion secundário);

A T alta (ou tempos longos) o produto 2 é formado preferencialmente (equilíbrio termodinâmico).

Adição Adição Eletrofílica a Dienos ConjugadosEletrofílica a Dienos Conjugados

H

H

44

Normalmente C=C ricos em elétrons (nucleófilo) reage com eletrófilo; Alcenos com substituintes atraentes de elétrons, inibem adição eletrofílica, favorecendo adição nucleofílica. Grupos atraentes:

CO

H

CO

R

CO

ORCN NO2 S

O

RSO2R F(Cl,Br)

Orientação da adição

C C

Ph

H

CN

Ph

CN-

C

C

CN

H

NC

PhH

HCN

- CN- C

CNC

PhH

NCPh

H

C C

Cl

Cl

F

F

CH3O-

C

C

F

F

H3CO

ClCl

CH3OH

- CH3O- C

CH3CO

ClCl

FF

H

Formação do carbânion mais estável; catálise básica: formação do nucleófilo X- Estereoquímica da reação não clara

Adição Adição Nucleofílica Nucleofílica a Ligações C=Ca Ligações C=C

45

Importância sintética: Cianoetilação

H2C CH

CN

PhOH ROH

RNH2H2S

H2

CH2

CPhO CN

H2

CH2

CRHN CN

H2

CH2

CHS CN

H2

CH2

CRO CN

Catálise básica; Introdução de uma unidade de 3 carbonos; Hidrólise de –CN (amida, ácido carboxílico).

46

Adição de MichaelAdição de Michael Adição nucleofílica 1,4 a compostas carbonílicos , -insaturados e análogos:

CHC

R1

R2

C

O

R3

+ C H

X

X

H2CX2 + B-

- HB

CHC

R1

R2

C

O

R3

C

X

X

H

CHC

R1

R2

C

OH

R3

C

X

X

H

CHCR1

R2

CHX

X

C

O

R3

CH2

CR1

R2

CHX

X

C

O

R3

H3O+

H3O+

adição 1,2

adição 1,4

R1, R2 H, alquila, arila

R3 H, alquila, OR

X COR, COOR, CN, etc

•Produto 1,4 é mais estável:

estabilidade da C=O;

Adição de Michael

•Reagentes organo-metâlicos:

RLi, RMgX, R2CuLi; (hard/soft)

R2CuLi : adição 1,4; (soft)

•RLi, RMgX: adição 1,2 (hard).

•Importância do efeito estérico:

volume de R1 / R2 versus R3;